[发明专利]用板嵌入测量单元测量和传输燃料电池堆电池电压的方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及一种燃料电池堆监控系统，且更具体地涉及一种采用在燃料电池堆每个端部的聚合装置和旁路故障光学信号装置来确定该堆中的燃料电池或燃料电池组的测量参数的燃料电池堆的监控系统，其中所述聚合装置用于收集光学信号。

背景技术

氢因其清洁以及可以用于在燃料电池中有效地产生电而成为一种非常有吸引力的燃料。氢燃料电池是一种包括阳极和阴极以及其间的电解质的电化学装置。阳极接收氢气，而阴极接收氧或空气。氢气在阳极侧催化剂中被离解以产生自由质子和电子。质子穿过电解质到达阴极。质子与阴极侧催化剂中的氧和电子发生反应以产生水。来自阳极的电子不能穿过电解质，并且因此在被传输至阴极之前被引导通过负载以做功。

质子交换薄膜燃料电池(PEMFC)是一种用于车辆的受欢迎的燃料电池。PEMFC一般包括固体聚合物电解质质子传导膜，比如全氟磺酸膜。阳极和阴极电极(催化剂层)往往包括支撑在碳粒子上且与离聚物混合的细分的催化粒子，通常是铂(Pt)。催化混合物沉积在膜的相对侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合定义了膜电极组件(MEA)。每个MEA通常夹在两片多孔材料(气体扩散层(GDL))之间，其中所述多孔材料用来保护膜的机械完整性并且有助于反应物和湿度的均匀分布。MEA的将阳极和阴极流分开的部分被称为有源区，并且仅在该区域中，水蒸气能在阳极和阴极之间自由地进行交换。MEA的制造成本相对较高并且需要特定的湿度条件以进行有效的工作。

通常，几个燃料电池组合成燃料电池堆以产生期望的功率。比如，用于车辆的典型的燃料电池堆可具有两百或者更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入反应气体，通常是通过压缩机而强迫通过燃料电池堆的空气流。不是所 有的氧都被燃料电池堆所消耗，一些空气作为阴极排气被输出，该阴极排气可包括作为反应副产物的水。燃料电池堆还接收流进堆的阳极侧的阳极氢反应气体。堆还包括冷却流体流动通过的流动通道。

燃料电池堆包括一系列位于堆中的几个MEA之间的双极板(隔离器)，其中双极板和MEA位于两块端板之间。双极板包括用于堆中相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧流量分配器(流场)。在双极板的阳极侧上提供有阳极气体流动通道以允许阳极反应气体流动到相应的MEA。在双极板的阴极侧上提供有阴极气体流动通道以允许阴极反应气体流动到相应的MEA。一块端板包括阳极气体流动通道，而另一块端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由比如不锈钢或导电组合物的导电材料制成。在堆叠后，这些部件往往在压缩状态下被放置以使得接触电阻最小化并且接近密封。端板将由燃料电池产生的电传导至堆之外。双极板还包括冷却流体流动通过的流体通道。

高频电阻(HFR)是燃料电池公知的特性，并且其与燃料电池膜的欧姆电阻或膜质子电阻是密切相关的。欧姆电阻本身是燃料电池膜湿度的函数。因此，通过测量在激励电流频率的特定带宽内的燃料电池堆的燃料电池膜的HFR，就可确定燃料电池膜的湿度。该HFR测量允许对燃料电池膜湿度的独立测量，从而不需要RH传感器。

典型地，燃料电池堆中的每个燃料电池的电压输出和可能的高频电阻(HFR)被监控以使得系统知道燃料电池电压或燃料电池HFR是否超出了期望的范围，从而显示可能的失效。正如现有技术中所理解的，因为所有的燃料电池都是以串联的方式电连接的，如果堆中的一个燃料电池失效，则整个堆都将失效。作为临时解决方案，可以对失效的燃料电池采取某些修补措施，直到可以对燃料电池车辆进行维修。这种修补措施包括增加氢气流和/或增加阴极化学计量。

往往通过监控包括连接到堆中的每个双极板和堆的端板的引线的子系统来测量燃料电池电压和燃料电池的HFR。因此，400电池堆包括连接至堆的401条引线。因为考虑到部件的尺寸、部件的公差以及部件的数量等，为具有这么多燃料电池的堆中的每个双极板提供物理连接是不实际的。因此，在现有技术中需要提供一种不需要连接至每个双极板的引线就能测量电池电压和HFR的系统和方法。

发明内容